集成电路制造工艺及常用设备
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百Å 的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。 SiO2薄膜厚度需要几千Å以上时，一般采 用干氧—湿氧—干氧的方式，既保证了所 需的厚度，缩短了氧化时间，又改善了表
面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。
●热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反 应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。
2. 离子注入
离子注入的优点 ● 离子注入可以通过分别调节注入离子 的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和 浓度，所以可以制备理想的杂质分布。
O2 反应 扩散
Si
Si + O2 = SiO2
1.3 不同的热氧化方式生长的 SiO2 膜性质比较
● 干氧氧化的 SiO2 膜结构致密，干燥、均匀 性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好， 与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。
● 水汽氧化的 SiO2 膜结构疏松，表面有斑点 和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差， 所以在工艺中很少单独采用。
注入离子的激活
注入的离子在硅单晶中往往处于间 隙位置，一般不能提供导电性能，因此， 必须要使注入的杂质原子转入替位位置 以实现电激活。
离子注入后的热退火
高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损 伤，因此为了消除离子注入造成的损伤和 激活注入的杂质离子，离子注入后必须要 进行热退火。最常用的是在950℃高温炉 中在氮气保护下，退火15～ 30分钟。热退 火后对杂质分布将产生影响，LSS理论的 射程RP和标准偏差ΔRp 要作修正。
接触式曝光
接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它 具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接 触、硬接触和软接触三种方式，其中真空接触具 有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光 刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同 光刻胶直接接触，所以掩膜版容易损伤，图形缺 陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。
接近式曝光
接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开 10 ～50 μm，所以掩膜版不容易被损伤， 掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少， 管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低， 同时机器操作比接触式曝光机复杂、价 格也稍贵。
投影式曝光
光刻工艺中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、 5 : 1几种。
投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对 于4:1、5:1缩小的投影曝光，可以得到更小 的图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰 尘等颗粒）对成品率的影响。
1. 高温氧化工艺
1.1 硅的热氧化
硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧 气或水进行反应，生成SiO2 。
硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三 种。
1.2 硅热氧化的厚度计算
如果氧化前已存在厚度为 t0 的氧化层，则（3-11）
微分方程的解为：（tOX ：是总的氧化层厚度）
tOX 2 AtOX Bt
（4- 12）
式中
A 2D
1
1
kS hg
B 2DHPg N1
t02 At0
B
（3- 13）
在各种工艺条件下，参数A和B都是已知的，t 是氧化
时间。τ 是一个时间参数，单位是小时（h）。
3.2 热氧化原理和方法
硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧
是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生
成SiO2 。 SiO2
根据公式（4-6） t qNS S I
t=（1.6×10-19×5×1015× 3.14×7.52）/ 1× 10-3 =141秒
注入剂量、标准偏差和峰值浓 度之间的近似关系：
N max
0.4 N S Rp
（6 - 14）
离子注入的损伤和退火效应
对于原来原子排列有序的晶体，由于离子 注入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。 对于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中， 如As+，将使局部晶体变成非晶体。
如果束流是稳定的电流I，则：
NSS
It q
Βιβλιοθήκη Baidu
（6 - 9）
t qNS S I
（6 - 10）
其中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑），
I 是注入的束流（安培），t 是注入时间（秒）。
例题：如果注入剂量是5×1015，束流 1mA，求注入一片6英寸硅片的时间
● 热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向 扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩 散很小。
在离子注入机中，利用电流积分仪测量
注入的离子总数N：
N
NSS
Q q
1 q
t
idt
0
（6 - 8）
式中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑）， Q 是注入到靶中的总电荷量（库仑），i是注入的束流 （安培），t 是注入时间（秒）。
● 湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生
长的 SiO2 膜，但它具有生长速率快的优点， 其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件
的要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使
SiO2 膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮 胶。同时，湿氧氧化后的 Si 片表面存在较 多的位错和腐蚀坑。
在实际工艺应用中，生长高质量的几
● 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及 固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物 理过程，所以它可以注入各种元素。
● 扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一 般在室温下进行（也可以在加温或低温下进 行）。
● 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有 害物质进入硅片。
● 热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的介质 进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光 刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。
底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。
图形转移工艺
淀积薄膜
匀胶、前烘
紫外光 曝
光
掩模版
显影、坚膜
腐
蚀
衬底
去
胶
紫外光 正胶 正胶和负胶 负胶
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
掩膜版
Si
匀胶 正胶感光区域 溶于显影液
曝光
Si
显影
负胶未感光区 域溶于显影液
光学曝光的三种曝光方式
接触式曝光 接近式曝光 投影式曝光
3. 光刻工艺
光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种： 正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。
光刻胶应该具有以下基本性能： 灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性， 胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形 边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底 膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗 蚀性强、抗溶涨性好；去胶容易，不留残渣；
面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。
●热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反 应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。
2. 离子注入
离子注入的优点 ● 离子注入可以通过分别调节注入离子 的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和 浓度，所以可以制备理想的杂质分布。
O2 反应 扩散
Si
Si + O2 = SiO2
1.3 不同的热氧化方式生长的 SiO2 膜性质比较
● 干氧氧化的 SiO2 膜结构致密，干燥、均匀 性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好， 与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。
● 水汽氧化的 SiO2 膜结构疏松，表面有斑点 和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差， 所以在工艺中很少单独采用。
注入离子的激活
注入的离子在硅单晶中往往处于间 隙位置，一般不能提供导电性能，因此， 必须要使注入的杂质原子转入替位位置 以实现电激活。
离子注入后的热退火
高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损 伤，因此为了消除离子注入造成的损伤和 激活注入的杂质离子，离子注入后必须要 进行热退火。最常用的是在950℃高温炉 中在氮气保护下，退火15～ 30分钟。热退 火后对杂质分布将产生影响，LSS理论的 射程RP和标准偏差ΔRp 要作修正。
接触式曝光
接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它 具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接 触、硬接触和软接触三种方式，其中真空接触具 有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光 刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同 光刻胶直接接触，所以掩膜版容易损伤，图形缺 陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。
接近式曝光
接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开 10 ～50 μm，所以掩膜版不容易被损伤， 掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少， 管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低， 同时机器操作比接触式曝光机复杂、价 格也稍贵。
投影式曝光
光刻工艺中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、 5 : 1几种。
投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对 于4:1、5:1缩小的投影曝光，可以得到更小 的图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰 尘等颗粒）对成品率的影响。
1. 高温氧化工艺
1.1 硅的热氧化
硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧 气或水进行反应，生成SiO2 。
硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三 种。
1.2 硅热氧化的厚度计算
如果氧化前已存在厚度为 t0 的氧化层，则（3-11）
微分方程的解为：（tOX ：是总的氧化层厚度）
tOX 2 AtOX Bt
（4- 12）
式中
A 2D
1
1
kS hg
B 2DHPg N1
t02 At0
B
（3- 13）
在各种工艺条件下，参数A和B都是已知的，t 是氧化
时间。τ 是一个时间参数，单位是小时（h）。
3.2 热氧化原理和方法
硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧
是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生
成SiO2 。 SiO2
根据公式（4-6） t qNS S I
t=（1.6×10-19×5×1015× 3.14×7.52）/ 1× 10-3 =141秒
注入剂量、标准偏差和峰值浓 度之间的近似关系：
N max
0.4 N S Rp
（6 - 14）
离子注入的损伤和退火效应
对于原来原子排列有序的晶体，由于离子 注入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。 对于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中， 如As+，将使局部晶体变成非晶体。
如果束流是稳定的电流I，则：
NSS
It q
Βιβλιοθήκη Baidu
（6 - 9）
t qNS S I
（6 - 10）
其中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑），
I 是注入的束流（安培），t 是注入时间（秒）。
例题：如果注入剂量是5×1015，束流 1mA，求注入一片6英寸硅片的时间
● 热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向 扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩 散很小。
在离子注入机中，利用电流积分仪测量
注入的离子总数N：
N
NSS
Q q
1 q
t
idt
0
（6 - 8）
式中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑）， Q 是注入到靶中的总电荷量（库仑），i是注入的束流 （安培），t 是注入时间（秒）。
● 湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生
长的 SiO2 膜，但它具有生长速率快的优点， 其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件
的要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使
SiO2 膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮 胶。同时，湿氧氧化后的 Si 片表面存在较 多的位错和腐蚀坑。
在实际工艺应用中，生长高质量的几
● 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及 固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物 理过程，所以它可以注入各种元素。
● 扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一 般在室温下进行（也可以在加温或低温下进 行）。
● 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有 害物质进入硅片。
● 热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的介质 进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光 刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。
底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。
图形转移工艺
淀积薄膜
匀胶、前烘
紫外光 曝
光
掩模版
显影、坚膜
腐
蚀
衬底
去
胶
紫外光 正胶 正胶和负胶 负胶
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
掩膜版
Si
匀胶 正胶感光区域 溶于显影液
曝光
Si
显影
负胶未感光区 域溶于显影液
光学曝光的三种曝光方式
接触式曝光 接近式曝光 投影式曝光
3. 光刻工艺
光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种： 正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。
光刻胶应该具有以下基本性能： 灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性， 胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形 边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底 膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗 蚀性强、抗溶涨性好；去胶容易，不留残渣；